Действие разворачивается в 1983 году. Американский агент Джим Уиллер приезжает в Ленинград, чтобы встретиться со своим коллегой — агентом, работающим в советском секретном НИИ. Группа контрразведчиков во главе с Волоховым разрабатывает план по выявлению «крота» в оборонной промышленности. Для этого они внедряют в окружение американца обычную студентку Ленинградского университета Юлю Морозову, которая очень похожа на погибшую жену Уиллера.
Сериал «Матрешка» — драматический триллер об обычной советской девушке, которая против своей воли оказывается на передовой борьбы за государственную безопасность.